一種認知智能電網(wǎng)中頻譜接入策略選擇機制

蘇德馨

摘要：本文探討基于認知智能電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，研究分析了頻譜接入策略選擇機制，以及頻譜接入策略選擇算法。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；認知；頻譜接入

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）02-0220-01

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的電力終端開始對通信提出要求，頻譜資源短缺問題日益凸顯。為解決這一問題，認知無線電技術(shù)開始被引入智能電網(wǎng)領(lǐng)域，改進無線通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并形成了基于認知的智能電網(wǎng)，在這一電網(wǎng)系統(tǒng)中，可通過應(yīng)用動態(tài)頻譜接入技術(shù)的方式使頻譜資源得到及時補充，但，認知無線網(wǎng)絡(luò)中仍然存在頻譜資源不確定性，以及智能電網(wǎng)節(jié)點通信環(huán)境不確定性等問題。若接入機制選擇不當(dāng)，可能會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。因此，在認知智能電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，如何對頻譜接入策略進行科學(xué)選擇，備受業(yè)內(nèi)人士的重視。

1 認知智能電網(wǎng)系統(tǒng)模型

認知智能電網(wǎng)系統(tǒng)模型典型結(jié)構(gòu)圖1所示。結(jié)合圖1，家庭內(nèi)智能電表利用節(jié)點表示，各個智能電表終端與網(wǎng)關(guān)搭載無線通信技術(shù)實現(xiàn)連接。在認知智能電網(wǎng)中，節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸路由結(jié)構(gòu)為常見聚集數(shù)形拓撲結(jié)構(gòu)。各層中均設(shè)置一個獨立網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與節(jié)點間利用Underlay作為接入策略，實際運行過程中傳輸鏈路通暢且安全。在這一接入模式下，網(wǎng)關(guān)與節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量不會受到兩者間信道占據(jù)情況的影響。因此，針對數(shù)據(jù)路由的策略可設(shè)計為：在認知智能電網(wǎng)中，每一節(jié)點將其傳輸數(shù)據(jù)發(fā)送至該層獨立網(wǎng)關(guān)中，經(jīng)一跳連接鏈路。在此基礎(chǔ)之上，網(wǎng)關(guān)以自上至下的方式通過多跳數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)最底層網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸至戶外基站中。2層認知智能電網(wǎng)節(jié)點與網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系更加復(fù)雜，可可以網(wǎng)關(guān)所處位置的不同劃分為中繼網(wǎng)關(guān)與下一層網(wǎng)關(guān)這兩種類型。假定：在認知智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，單個節(jié)點無法直接將數(shù)據(jù)傳輸至2層以外網(wǎng)關(guān)終端中，數(shù)據(jù)傳輸覆蓋范圍僅為下1層。在滿足該假設(shè)條件的前提下，僅存在2種傳輸方式，其中節(jié)點直接將數(shù)據(jù)傳輸至下一層網(wǎng)關(guān)可稱之為直接傳輸模式，節(jié)點將數(shù)據(jù)傳輸至中繼網(wǎng)關(guān)后過渡至下一層網(wǎng)關(guān)則可稱之為中繼傳輸模式[1]。

2 頻譜接入策略選擇機制

為保障網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋水平，以網(wǎng)絡(luò)最差狀況作為網(wǎng)關(guān)布置依據(jù)，以Underlay作為接入策略選擇依據(jù)。此情況下，節(jié)點對應(yīng)可用頻譜資源以及通信負載水平處于動態(tài)可變狀態(tài)下。SG節(jié)點可以通過對頻譜接入策略進行優(yōu)化選擇的方式，以最大限度的保障數(shù)據(jù)傳輸速率的穩(wěn)定性[2]。基于上述分析，為了合理應(yīng)對節(jié)點可用頻譜資源與通信負載之間的某地關(guān)系，以下嘗試深入分析SG節(jié)點頻譜接入策略的選擇方案[3]。

假定電力負載門限值分別為“”、“”，通信負載門限值分別為“”、“”，當(dāng)時，節(jié)點通信負載取最大值，主用戶信道空閑概率為。此情況下，的取值已經(jīng)非常小，次用戶無需感知信道即可獲得理想的平均傳輸速率。換言之，次用戶可以直接選用基于Underlay的接入策略，數(shù)據(jù)信息經(jīng)中繼傳輸模式傳輸。

而在信道空閑概率增加的情況下，即有：。此情形下若用戶選擇對信道進行改制，則次用戶同樣可獲得較大的傳輸速率。但若節(jié)點對應(yīng)通信負載水平降低，則意味著頻譜資源的需求與供應(yīng)關(guān)系發(fā)生了較大的改變。此時必須通過混合接入的方式以適應(yīng)認知智能電網(wǎng)的實際需求。在混合接入策略思路下，對于節(jié)點n而言，其在時隙i下的傳輸結(jié)構(gòu)可概括如圖2所示。

3 頻譜接入策略選擇算法

根據(jù)以上分析過程，在認知智能電網(wǎng)系統(tǒng)中，假定存在某節(jié)點n，該節(jié)點在時隙下的頻譜接入策略可以按照如下方式進行選擇與優(yōu)化：

對于n節(jié)點，分別輸入信道空閑概率、通信負載以及門限值參數(shù)。定義信道空閑概率為“”，通信負載為“”，門限值分別為“”、“”，則有：

第一步，；第二步，用認知智能電網(wǎng)中SG節(jié)點選擇經(jīng)Underlay進行接入，并對傳輸功率進行優(yōu)化。節(jié)點傳輸選擇中繼傳輸模式；第三步， ；第四步，認知智能電網(wǎng)中SG節(jié)點選擇混合接入模式，感知直接傳輸信道并對節(jié)點進行感知處理；第五步，If 感知結(jié)果為空閑，則繼續(xù)下一步操作；第六步，認知智能電網(wǎng)中SG節(jié)點選擇直接傳輸模式；第七步，Else；第八步，認知智能電網(wǎng)中SG節(jié)點選擇中繼傳輸模式；第九步，End；第十步，End；第十一步，認知智能電網(wǎng)中SG節(jié)點選擇中繼傳輸模式；第十二步，由SG節(jié)點選擇相應(yīng)頻譜接入策略，并根據(jù)以上操作過程為其匹配相對應(yīng)傳輸模式，最為最優(yōu)選擇方案。

4 結(jié)語

在智能電網(wǎng)系統(tǒng)運行過程中，如何解決頻譜資源短缺問題是各方人員必須高度重視的一項課題。為了解決這一問題，有關(guān)研究中嘗試在智能電網(wǎng)系統(tǒng)中引入認知無線電技術(shù)，取得了滿意的效果，并在此過程中構(gòu)建了基于認知結(jié)構(gòu)的智能電網(wǎng)系統(tǒng)。但，認知無線網(wǎng)絡(luò)中仍然存在頻譜資源不確定性，以及智能電網(wǎng)節(jié)點通信環(huán)境不確定性等問題。若接入機制選擇不當(dāng)，可能會對系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。本文以上分析中在認知智能電網(wǎng)模型下提出一種頻譜接入策略的選擇機制，提出以自身實時性傳輸需求以及實時性可用頻譜資源狀況為依據(jù)，對頻譜接入策略進行合理選擇，不但能夠保障智能電網(wǎng)的安全運行，還可使節(jié)點有效傳輸范圍最大化，整套機制值得在后續(xù)實踐中進一步完善與落實。

參考文獻

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